Schets beide signalen en noteer waar elk ervan niet nul is.
Spiegel h en schuif hem: zoek voor elk uitgangstijdstip het bereik waar beide signalen overlappen.
Vermenigvuldig en tel op (discreet) of vermenigvuldig en integreer (continu) over alleen die overlap.
Controleer het resultaat: de uitgang begint bij de som van de starttijden, eindigt bij de som van de eindtijden, en zijn oppervlakte of som is het product van de oppervlakten of sommen van de ingangen.
2Oefenopgaven
1.Convolutie en LTI-systemenGemiddeld
Het signaal x(t) is alleen niet nul tussen t = 0 s en t = 2 s, en h(t) alleen tussen t = −1 s en t = 0 s. Bepaal het tijdstip tend waarop y(t) = x(t) ∗ h(t) eindigt.
x: 0 … 2 sh: −1 … 0 s
tend = s
2.Convolutie en LTI-systemenMoeilijk
Een pulstrein heeft hoogte 1, pulsbreedte 1,5 ms en periode 5 ms. Bepaal de amplitude c2 van harmonische nummer 2, bij 400 Hz.
A = 1τ = 1,5 msT = 5 ms
c2 =
3.LaplacetransformatiesGemiddeld
Bepaal f(t) voor F(s) = (s + 12)/(s² + 10s + 25) en bereken f(0,4).
F(s) = (s + 12)/(s² + 10s + 25)t = 0,4 s
f(0.4) =
4.LaplacetransformatiesMoeilijk
Een systeem voldoet aan y″ + 11y′ + 30y = 60·u(t), met y(0) = 3 en y′(0) = 0. Op t = 0 wordt een stap u(t) = 5 aangelegd. Gebruik de Laplacetransformatie om y(0,1) te bepalen.
Een systeem heeft de overdrachtsfunctie G(s) = 60/(s² + 3s + 60) en krijgt een eenheidsstap als ingang. Bepaal de 2%-insteltijd ts van de stapresponsie, met ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 60/(s² + 3s + 60)
ts = s
6.StapresponsieMoeilijk
Een lus met negatieve eenheidsterugkoppeling heeft G(s) = K/(s(s + 4)). Bepaal de versterking K die een stapresponsie met 5 % overshoot geeft.
G(s) = K/(s(s + 4))%OS = 5 %
K =
7.Bodediagrammen en margesGemiddeld
In het getoonde serie-RLC-banddoorlaatfilter staat de uitgang over R = 1 Ω, met L = 2 mH en C = 10 µF. Bepaal de kwaliteitsfactor Q.
R = 1 ΩL = 2 mHC = 10 µF
Q =
8.Bodediagrammen en margesMoeilijk
Een lus met eenheidsterugkoppeling heeft de open-lus-overdrachtsfunctie L(s) = 170/(s(s + 6)(s + 10)). Bepaal de versterkingsmarge GM in dB.
L(s) = 170/(s(s + 6)(s + 10))
GM = dB
3Oplossingen
1.Convolutie en LTI-systemen
Antwoord: tend = 2 s
Continue convolutie: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ. Spiegel h, schuif hem naar positie t en integreer het product van de overlappende delen. Voor causale signalen loopt de integraal van 0 tot t. Handige resultaten: de oppervlakte van y is de oppervlakte van x maal die van h; als x duurt van t₁ tot t₂ en h van t₃ tot t₄, dan duurt y van t₁ + t₃ tot t₂ + t₄. Voor h(t) = e−atu(t) en een stap met hoogte A is y(t) = (A/a)(1 − e−at).
Begin en einde
tstart = 0 + (−1) = −1 s
tend = 2 + 0 = 2 s
Antwoord
tend = 2 s
Antwoord
tend = 2 s
2.Convolutie en LTI-systemen
Antwoord: c2 = 0,3027
Impulsresponsie en fourierreeks: de impulsresponsie h(t) beschrijft een LTI-systeem volledig: voor y′ + a·y = b·x is die h(t) = b·e−atu(t), en voor y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] is die h[n] = b·aⁿu[n]. Een sinusoïde cos ωt gaat erdoorheen met versterking |H(jω)| en fase ∠H(jω), waarbij H de fouriertransformatie van h is. Een periodiek signaal is een som van harmonischen bij k/T: een blokgolf van ±A heeft alleen oneven harmonischen met amplitudes 4A/(kπ), een driehoeksgolf met piek A heeft 8A/(π²k²), en een pulstrein met hoogte A en duty cycle D heeft het gemiddelde A·D en de harmonischen (2A/(kπ))·|sin(kπD)|.
Duty cycle
D = 1,5/5 = 0,3
Harmonischenamplitude
c2 = (2·1/(2π))·|sin(2π·0,3)| = 0,3027
Antwoord
c2 = 0,3027
3.Laplacetransformaties
Antwoord: f(0.4) = 0,5143
Laplacetransformatie: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt maakt van afgeleiden vermenigvuldigingen met s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Standaardparen: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), en een verschuiving s → s + σ vermenigvuldigt de tijdfunctie met e−σt. Om een rationale F(s) terug te transformeren, splits je haar in partieelbreuken: het residu van een enkelvoudige pool p is A = [(s − p)·F(s)] bij s = p. Eindwaardestelling: f(∞) = lims→0 s·F(s), alleen geldig als alle polen van s·F(s) in het linkerhalfvlak liggen. Beginwaardestelling: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Ontbind de noemer
s² + 10s + 25 = (s + 5)²
Partieelbreuken
s + 12 = 1(s + 5) + 7
F(s) = 1/(s + 5) + 7/(s + 5)²
Inverse transformatie
f(t) = e−5t + 7·t·e−5t
f(0,4) = (1 + 7·0,4)·e−5·0,4 = 0,5143
Antwoord
f(0,4) = 0,5143
4.Laplacetransformaties
Antwoord: y(0.1) = 3,734
Laplacetransformatie: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt maakt van afgeleiden vermenigvuldigingen met s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Standaardparen: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), en een verschuiving s → s + σ vermenigvuldigt de tijdfunctie met e−σt. Om een rationale F(s) terug te transformeren, splits je haar in partieelbreuken: het residu van een enkelvoudige pool p is A = [(s − p)·F(s)] bij s = p. Eindwaardestelling: f(∞) = lims→0 s·F(s), alleen geldig als alle polen van s·F(s) in het linkerhalfvlak liggen. Beginwaardestelling: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Transformeer de vergelijking
(s² + 11s + 30)·Y(s) = 3s + 33 + 300/s
Y(s) = (3s² + 33s + 300)/(s(s + 5)(s + 6))
Partieelbreuken
A = 300/(5·6) = 10
B = 210/((−5)·1) = −42
C = 210/((−6)·(−1)) = 35
Resultaat
y(t) = 10 − 42·e−5t + 35·e−6t
y(0,1) = 3,734
Antwoord
y(0,1) = 3,734
Controle: y(0) = A + B + C = 3.
5.Stapresponsie
Antwoord: ts = 2,667 s
Stapresponsie: een eerste-ordesysteem G(s) = K/(τs + 1) beantwoordt een stap van grootte U met y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): het bereikt 63,2 % van de eindwaarde K·U na één tijdconstante τ en 98 % na 4τ. Een tweede-ordesysteem G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) heeft de polen s = −ζωₙ ± jωd met ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Voor 0 < ζ < 1 schiet de stapresponsie door: procentuele overshoot %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), piektijd tp = π/ωd, en de 2%-insteltijd ts ≈ 4/(ζωₙ). Vergelijk de noemer met s² + 2ζωₙs + ωₙ² om ωₙ en ζ af te lezen. Voor een massa-veer-demper is ωₙ = √(k/m) en ζ = c/(2√(km)); voor een serie-RLC-schakeling is ωₙ = 1/√(LC) en ζ = (R/2)·√(C/L).
Vergelijk met de standaardvorm
De noemer moet overeenkomen met s² + 2ζωₙs + ωₙ².
ωₙ² = 60 → ωₙ = 7,746 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·7,746) = 0,1936
Resultaat
ζωₙ = 1,5 → ts ≈ 4/1,5 = 2,667 s
Antwoord
ts = 2,667 s
6.Stapresponsie
Antwoord: K = 8,399
Stapresponsie: een eerste-ordesysteem G(s) = K/(τs + 1) beantwoordt een stap van grootte U met y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): het bereikt 63,2 % van de eindwaarde K·U na één tijdconstante τ en 98 % na 4τ. Een tweede-ordesysteem G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) heeft de polen s = −ζωₙ ± jωd met ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Voor 0 < ζ < 1 schiet de stapresponsie door: procentuele overshoot %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), piektijd tp = π/ωd, en de 2%-insteltijd ts ≈ 4/(ζωₙ). Vergelijk de noemer met s² + 2ζωₙs + ωₙ² om ωₙ en ζ af te lezen. Voor een massa-veer-demper is ωₙ = √(k/m) en ζ = c/(2√(km)); voor een serie-RLC-schakeling is ωₙ = 1/√(LC) en ζ = (R/2)·√(C/L).
Gesloten-lusoverdrachtsfunctie
T(s) = K/(s² + 4s + K)
Dempingsfactor uit de overshoot
ζ = −ln(0,05)/√(π² + ln²(0,05)) = 0,6901
Versterking
ωₙ = 4/(2ζ) = 2,898 rad/s
K = ωₙ² = 8,399
Antwoord
K = 8,399
7.Bodediagrammen en marges
Antwoord: Q = 14,14
Frequentierespons: substitueer s = jω in de overdrachtsfunctie. De grootte in decibel is 20·log₁₀|H(jω)| en de fase is de som van de hoeken van de tellerfactoren min die van de noemerfactoren. Een eerste-orde RC- of RL-filter heeft zijn kantelfrequentie (−3 dB) bij ωc = 1/(RC) of R/L, en fc = ωc/(2π); een laagdoorlaatfilter geeft |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) en φ = −atan(ω/ωc). In het asymptotische (rechte-lijn-)Bodediagram buigt elke pool de grootte met 20 dB/decade omlaag bij zijn kantelfrequentie, buigt elk nulpunt haar met 20 dB/decade omhoog, en geeft een integrator 1/s −20 dB/decade bij alle frequenties. Versterkingsdoorsnijding ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); fasemarge PM = 180° + ∠L(jωc). Faseomslag ω180: ∠L(jω) = −180°; versterkingsmarge GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. De gesloten lus is stabiel als beide marges positief zijn.
Resonantiefrequentie
ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,002·1 × 10⁻⁵) = 7071 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 1125 Hz
Kwaliteitsfactor
BW = R/L = 1/0,002 = 500 rad/s = 79,58 Hz
Q = ω₀/BW = 7071/500 = 14,14
Antwoord
Q = 14,14
8.Bodediagrammen en marges
Antwoord: GM = 15,04 dB
Frequentierespons: substitueer s = jω in de overdrachtsfunctie. De grootte in decibel is 20·log₁₀|H(jω)| en de fase is de som van de hoeken van de tellerfactoren min die van de noemerfactoren. Een eerste-orde RC- of RL-filter heeft zijn kantelfrequentie (−3 dB) bij ωc = 1/(RC) of R/L, en fc = ωc/(2π); een laagdoorlaatfilter geeft |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) en φ = −atan(ω/ωc). In het asymptotische (rechte-lijn-)Bodediagram buigt elke pool de grootte met 20 dB/decade omlaag bij zijn kantelfrequentie, buigt elk nulpunt haar met 20 dB/decade omhoog, en geeft een integrator 1/s −20 dB/decade bij alle frequenties. Versterkingsdoorsnijding ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); fasemarge PM = 180° + ∠L(jωc). Faseomslag ω180: ∠L(jω) = −180°; versterkingsmarge GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. De gesloten lus is stabiel als beide marges positief zijn.